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 采用熱噴涂技術(shù)不僅能提高機器設(shè)備的耐磨損性、耐腐蝕性、耐侵蝕性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，而且能賦予普通材料特殊的功能，諸如高溫超導(dǎo)涂層、生物涂層、金剛石涂層、固體氧燃料電池（SOFCs）電極催化涂層等，因此，熱噴涂技術(shù)必然會愈來愈引起人們的重視，并在各個工業(yè)領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。實際零部件因其材質(zhì)、形狀、大小及其應(yīng)用環(huán)境、服役條件等存在很大差別，要想成功采用熱噴涂涂層來解決所面臨的技術(shù)問題，必須遵循特定的過程，其中，最重要的有以下五個關(guān)鍵過程。 

1．準(zhǔn)確分析問題所在，明確涂層性能要求； 
2．合理進行涂層設(shè)計，包括正確選擇噴涂材料、設(shè)備、工藝及遵循嚴格的涂層質(zhì)量性能評價體系等； 
3．優(yōu)化涂層制備工藝； 
4．嚴格控制涂層質(zhì)量； 

涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計

  在實際使用中，因零件形狀、大小、材質(zhì)、使用環(huán)境及服役條件等存在千差萬別，要獲得最佳的涂層使用性能，必須將熱噴涂技術(shù)所涉及到的各個環(huán)節(jié)綜合在一起進行優(yōu)化處理，特別是要注意將噴涂材料與各種熱噴涂工藝的特點結(jié)合起來，內(nèi)容涉及所選擇的噴涂材料、涂層厚度、相應(yīng)的噴涂設(shè)備和工藝參數(shù)等，涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理一般要通過生產(chǎn)檢驗或現(xiàn)場試驗才能確定。在熱噴涂應(yīng)用技術(shù)中，所涉及的涂層結(jié)構(gòu)大體可分為以下四種。

1、單層結(jié)構(gòu)

  單層結(jié)構(gòu)涂層是指只需要在經(jīng)過預(yù)處理的零件表面噴涂單一成分涂層，即可滿足使用性能要求的涂層結(jié)構(gòu)模式。在實際應(yīng)用中所占比例較大，是最常用的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)之一，可為基體提供防腐、耐磨、抗高溫氧化、導(dǎo)電、尺寸修復(fù)、延長使用壽命等功能。所有的熱噴涂工藝，包括普通火焰噴涂、噴焊、電弧噴涂、HVOF、爆炸噴涂、等離子噴涂等均可獲得具有特定性能的單層結(jié)構(gòu)涂層。 

2、雙層結(jié)構(gòu)

  雙層結(jié)構(gòu)涂層是指采用兩種噴涂材料在經(jīng)過預(yù)處理的零件表面分兩次噴涂形成的涂層結(jié)構(gòu)，每層具有不同的功能，通常與基體相鄰的涂層稱為粘結(jié)底層，其主要作用是提高基體與涂層之間的結(jié)合強度；外層或表面層稱為工作層或面層，其主要作用是滿足零件所要求的性能。這種結(jié)構(gòu)涂層在實際應(yīng)用中所占的比例也較大，也是最常用的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)之一。兩種涂層可采用同一種熱噴涂工藝方法來完成，如采用單一工藝方法，如普通火焰、爆炸噴涂或等離子噴涂來分別噴涂兩種涂層，也可采用不同的熱噴涂方法來完成，如可采用電弧噴涂粘結(jié)底層，再采用等離子噴涂表面工作層；或先采用超音速火焰噴涂粘結(jié)底層，再采用等離子噴涂表面工作層，該組合是目前飛機發(fā)動機用熱障涂層的典型工藝。

3、多層結(jié)構(gòu)

   多層結(jié)構(gòu)是指涂層層數(shù)達三層或三層以上的涂層結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用中并不常用，只在特殊工況條件下才采用。
   有的多層結(jié)構(gòu)通過采用多種成分涂層來滿足一種性能要求，例如，為了開發(fā)出能夠滿足柴油發(fā)動機用的長壽命厚熱障涂層，Robert等采用了熱膨脹系數(shù)非常接近的三層結(jié)合底層來降低涂層熱應(yīng)力，其涂層結(jié)構(gòu)如圖所示，各層涂層的熱膨脹行為如下圖所示。由于基體材料4140、NiCrAlY、FeCrAlY、FeCoNiCrAl和ZrO2-Y2O3之間膨脹系數(shù)屬于逐漸變化的，從而可以大幅度減小ZrO2-Y2O3涂層與基體之間的熱膨脹不匹配性，從而達到減小熱應(yīng)力、延長使用壽命的目的。

多層結(jié)構(gòu)示意圖

   有的多層結(jié)構(gòu)則具有多種功能，例如，為了顯著提高汽輪機用熱障涂層的使用壽命和工作可靠性，Leed等人提出在金屬粘結(jié)層和熱障涂層之間增加阻止氧擴散涂層，并在金屬粘結(jié)層和阻止氧擴散涂層、熱障涂層和阻止氧擴散涂層之間增加梯度過渡層，以阻礙氧擴散到金屬粘結(jié)層，形成脆性的金屬-陶瓷界面。

4、梯度結(jié)構(gòu)

在熱障涂層中，由于粘結(jié)層金屬和氧化鋯陶瓷的熱膨脹系數(shù)差異較大，這種差異將導(dǎo)致涂層內(nèi)應(yīng)力過大，并且在熱循環(huán)條件下常發(fā)生陶瓷涂層的早期破壞。為了減小內(nèi)應(yīng)力，提高涂層與基體的結(jié)合強度，材料科學(xué)家開始在常規(guī)熱障涂層中引入功能梯度材料制備技術(shù)。
   日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三首先提出了FGM的概念，與此同時，中國學(xué)者袁潤章等也提出了FGM的概念，并率先在國內(nèi)開展了這方面的研究。FGM的設(shè)計思想是針對兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過連續(xù)改變其組成、組織、結(jié)構(gòu)與孔隙等要素, 使其內(nèi)部界面消失，得到性能呈連續(xù)平穩(wěn)變化的新型非均質(zhì)復(fù)合材料。借助功能梯度材料的概念，使熱障涂層結(jié)構(gòu)梯度化，相應(yīng)地，熱膨脹系數(shù)將沿涂層厚度方向逐漸變化，從而緩和涂層制備過程中和熱循環(huán)使用過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
    梯度功能材料為金屬/陶瓷涂層材料無法解決的熱應(yīng)力緩和問題提供了一種有效的方法，這為熱障涂層的應(yīng)用帶來了令人興奮的前景，因此倍受世界各國材料界的重視。德國與美國繼日本之后也開始大規(guī)模的研制，我國也將此研究列入了“863”計劃，短短十幾年中，迅速發(fā)展取得了令人矚目的成就。航天、航空、飛機、衛(wèi)星、運載火箭等需要耐超高溫的熱屏障材料，核反應(yīng)堆、發(fā)動機用耐熱材料、熱遮蔽材料，使用FGM熱障涂層后可大幅度提高熱效率。

 A) 梯度涂層理想結(jié)構(gòu)  b)梯度涂層實際常用結(jié)構(gòu)   

功能梯度涂層材料典型結(jié)構(gòu)

國內(nèi)已經(jīng)對功能梯度熱障涂層的抗熱震性能進行了研究，王富恥等人對等離子噴涂方法制備的ZrO2-NiCrAl系梯度熱障涂層在瞬態(tài)熱負荷下的破壞機理進行了研究，指出：陶瓷面層除了冷卻過程中的徑向拉力超過陶瓷材料的強度導(dǎo)致涂層破壞的模式以外，在加熱的過程中陶瓷層間界面出現(xiàn)大的軸向拉伸應(yīng)力，最終可以導(dǎo)致涂層剝落。朱景川等人對ZrO2-Ni系梯度熱障涂層的熱沖擊與熱疲勞行為進行了研究，結(jié)果表明：ZrO2-Ni系梯度熱障涂層的抗熱沖擊參數(shù)呈梯度分布，熱沖擊破壞符合熱疲勞損傷機理，裂紋的準(zhǔn)靜態(tài)擴展為其控制因素；熱疲勞裂紋在梯度層內(nèi)以微孔聚集、連接方式萌生和擴展，而在梯度層間無橫向貫穿裂紋，克服了傳統(tǒng)涂層的熱應(yīng)力剝落問題。黃維剛對ZrO2-NiCoCrAlY系梯度熱障涂層進行了研究，認為去應(yīng)力退火可以進一步提高涂層的抗熱沖擊性能。

本系列結(jié)束

謝謝共賞

“世界耐磨專家”——四川科力特硬質(zhì)合金股份有限公司由硬質(zhì)合金耐磨機械零件生產(chǎn)加工及表面工程技術(shù)中心組成，致力于耐磨材料及應(yīng)用和表面工程技術(shù)的研究和推廣，其品以專用耐磨耐腐蝕、抗輻射硬質(zhì)合金機械密封環(huán)、軸套等毛坯和機加產(chǎn)品，噴涂噴焊零件和碳化鎢燒結(jié)涂層零件為主的產(chǎn)品構(gòu)成。

KLT表面工程中心擁有大型氧煤油超音速火焰噴涂系統(tǒng)（JP系列）、超音速火焰噴涂系統(tǒng)（HVAF系列）、亞音速普通火焰噴涂系統(tǒng)、火焰噴涂、高速電弧噴涂、等離子噴涂噴焊系統(tǒng)等先進全自動化熱噴涂設(shè)備。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于包括冶金、造紙、石化、電力、軍工、制糖、鋼鐵、閥門、采掘、紡織的耐磨、防腐、絕緣、導(dǎo)熱、隔熱、導(dǎo)電、防粘、抗電磁屏蔽等涂層，產(chǎn)品深受國內(nèi)外用戶的歡迎和喜愛。